損傷神経機能と感覚受容を超回復させるシナプスコネクトとAI機械学習解析系の開発

• Project/Area Number: 22K19590
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 56:Surgery related to the biological and sensory functions and related fields
• Research Institution: Aichi Medical University
• Principal Investigator: 武内 恒成 愛知医科大学, 医学部, 教授 (90206946)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柳原 大 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90252725) ; 瀬尾 憲司 新潟大学, 医歯学系, 教授 (40242440)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 神経再生 / 脊髄損傷 / リハビリテーションモデル / 神経回路 / 神経再生治療 / シナプス / 細胞外環境

Outline of Research at the Start

中枢神経・脊髄損傷の治療応用において、モデル動物脊髄損傷での運動機能評価や痛み評価を正確に定量化しヒト運動機能改善に外挿できる系として、我々はAI機械学習から詳細な機能回復パラメータを抽出しヒトの機能改善に外挿可能な解析系を目標とする。特に、我々は人工シナプスコネクターの合成に成功、モデル動物の急速な生理機能回復を報告した (Science 2020)。また、神経再生の阻害因子であるコンドロイチン硫酸の発現抑制が、劇的回復を示すことを報告し(Nature Commun.2014)創薬展開に繋げている。本研究では従来とは全く異なる2つのこの新しいコンセプトを融合した超回復系を駆使し、上記の課題に挑む。

Outline of Annual Research Achievements

脊髄損傷や外傷性脳損傷治療では、成体の神経細胞は再生しない、とされ根本治療法がない。そのため脊髄損傷の治療に向けてはiPS /幹細胞移植による治療が唱えられ進められている。また、神経軸索再生を促す分子をさまざまに創薬応用する試みは、世界的にモデル動物で多く試みられている。我々は全く新しいコンセプトから課題への応用展開を図り、さらにこの回復性を活かしてモデル動物の機能回復性をヒトに外挿可能とする機械学習システムの構築に挑戦している。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　我々のシナプスオーガナイザーと神経再生阻害因子コンドロイチン硫酸転移酵素T1-ASO単剤での超回復モデルでの圧倒な回復度と回復性の大きな違いを活用し、この差異をAI機械学習解析からのパラメータ定量抽出を進めた。既にAI(DeepLabCutを応用)にて運動機能を解析する系は構築し、関節角度/ベクトル/周期等の抽出は十分可能とした。更なる目的としてヒト機能回復へ外挿できる歩行時のパラメータをここから取得し、機械学習によって主因子や従属変数などの関連性を見出すシステムの構築を進めて、要素抽出の解析を可能とした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

CS発現抑制による瘢痕形成阻害効果を持つ核酸医薬T1-ASOはすでに創薬展開のなかで見出し、投与法も解析が進んだ。このASOはマウス・ラットモデルへのASO効果濃度と投与時期を検討することもできた。単剤投与回復と比較しつつ２剤投与による超回復モデルを作出することもできた。回復機能の解析システム構築では当初の目的を達成しつつある。今後痛みや感覚受容の解析を進める。

Strategy for Future Research Activity

見過ごされてきたが脊髄損傷後の感覚再生は重要で、損傷障害後の慢性疼痛も大きな課題である。CPTXは感覚神経も再接続し感覚再生にも機能する結果をごく最近得た。さらに、多くの慢性疼痛に共通する線維化/線維性瘢痕は、T1-ASOによって線維化の拡大を抑えることで克服できる可能性は高い。投与有無の感覚回復を解析するとともに、AI機械学習によって脊損後の運動回復データから感覚受容のパラメータを分別し、感覚の回復を抽出解析できるシステムを目指す。特に感覚神経のみで構成される三叉神経系と下歯槽神経にも着目した。投射するオトガイ領域刺激による挙動を追跡抽出し、感覚回復解析を確実なものとする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Oxford University/Cambridge MRC Center(英国)
• [Int'l Joint Research] DZNE(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Miami University(米国)
• [Journal Article] Endogenous chondroitin extends the lifespan and healthspan in C. elegans. (2024)
  • Author(s): Shibata Y, Tanaka Y, Sasakura H, Morioka Y, Sassa T, Fujii S, Mitsuzumi K, Ikeno M, Kubota Y, Kimura K, Toyoda H, Takeuchi K, Nishiwaki K.
  • Journal Title: Sci Rep. Volume: 14 Issue: 1 Pages: 4813-4813
  • DOI: 10.1038/s41598-024-55417-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inhibitory effects of estetrol on the invasion and migration of immortalized human endometrial stromal cells (2024)
  • Author(s): Wakatsuki A, Lin Y, Kojima S, Matsushita H, Takeuchi K, Umezawa K.
  • Journal Title: Endocrine Journal Volume: 71 Issue: 2 Pages: 199-206
  • DOI: 10.1507/endocrj.EJ23-0397
  • ISSN: 0918-8959, 1348-4540
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Human-induced pluripotent stem cell-derived neural stem/progenitor cell ex vivo gene therapy with synaptic organizer CPTX for spinal cord injury (2024)
  • Author(s): Saijo Y, Nagoshi N, Kawai M, Kitagawa T, Suematsu Y, Ozaki M, Shinozaki M, Kohyama J, Shibata S, Takeuchi K, Nakamura M, Yuzaki M, Okano H.
  • Journal Title: Stem Cell Reports. Volume: 19 Issue: 3 Pages: 100393-100393
  • DOI: 10.1016/j.stemcr.2024.01.007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inhibition of Transglutaminase 2 Reduces Peritoneal Injury in a Chlorhexidine-Induced Peritoneal Fibrosis Model (2023)
  • Author(s): Kunoki S, Tatsukawa H, Sakai Y, Kinashi H, Kariya T, Suzuki Y, Mizuno M, Yamaguchi M, Sasakura H, Ikeno M, Takeuchi K, Ishimoto T, Hitomi K, Ito Y
  • Journal Title: Laboratory Investigation Volume: 103 Issue: 4 Pages: 100050-100050
  • DOI: 10.1016/j.labinv.2022.100050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Increased urinary albumin leakage is related to injuries of glomerular glycocalyx and podocytes, and associated with tubular dysfunction in preeclampsia. (2023)
  • Author(s): Watanabe K, Okamoto T, Saitou T, Iwasaki A, Matsushita H, Takeuchi K, Asai A, Ito Y, Hara M, Wakatsuki A.
  • Journal Title: Pregnancy Hypertens Volume: 17 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1016/j.preghy.2023.02.001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 2. Highly selective transgene expression through the flip-excision switch system by using a unilateral spacer sequence. (2023)
  • Author(s): Matsushita, N.*, Kato, S.*, Nishizawa, K., Sugawara, M., Takeuchi, K., Miyasaka, Y., Mashimo, T. and Kobayashi, K. * Equal contribution
  • Journal Title: Cell Rep. Methods Volume: 3 Issue: 2 Pages: 100393-100393
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2022.100393
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 3. Catecholaminergic cell type-specific expression of Cre recombinase in knock-in transgenic rats generated by the Combi-CRISPR technology. (2022)
  • Author(s): Matsushita, N., Nishizawa, K., Kato, S., Iguchi, Y., Fukabori, R., Takeuchi, K., Miyasaka, Y., Mashimo, T. and Kobayashi, K.
  • Journal Title: J. Neurosci. Methods Volume: 381 Pages: 109707-109707
  • DOI: 10.1016/j.jneumeth.2022.109707
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 人為的シナプスコネクトと神経再生環境場整備による後期脊髄損傷からの回復 (2022)
  • Author(s): 笹倉 寛之、鈴木 邦道、池野 正史、森岡 幸、武内 由佳、柚崎 通介、武内 恒成
  • Organizer: Neuro2022
• [Presentation] 遺伝子の機能と神経疾患に対する細胞治療への応用 (2022)
  • Author(s): 池野 正史、笹倉 寛之、武内 恒成1
  • Organizer: Neuro2022
• [Remarks] 教室ホームページ
  • URL: https://www.take-lab.org/
• [Remarks] https://www.take-lab.org/